Przez lata żyliśmy w błędzie. Nerki nie filtrują, a pompują krew
Najnowsze odkrycie dotyczące działania nerek zmienia nasze postrzeganie tego narządu i może pomóc w skuteczniejszym leczeniu chorób nefrologicznych.
Nerki człowieka tworzy skomplikowana sieć kanalików, które każdego dnia przetwarzają ok. 180 litrów krwi. Są one wyścielone komórkami nabłonkowymi, które transportują krew przez nerki i wprowadzają ją z powrotem do organizmu. Nie do końca wiadomo, jak te "nieruchome" komórki wytwarzają siłę mechaniczną niezbędną do wykonywania swojej pracy.
Aby odkryć tajemnice tego procesu transportu płynów, inżynier mechanik z Johns Hopkins stworzył urządzenie, które mierzy siły mechaniczne generowane zarówno przez zdrowe, jak i chore komórki nerek.
- Fundamentalne prawa fizyki mówią, że do poruszania rzeczy potrzebne są siły. W tym przypadku komórki nie poruszają się, ale przemieszczają płyn. Powstaje więc pytanie, jak to robią? - zastanawiał się prof. Sean Sun z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Whiting School of Engineering i główny członek Instytutu NanoBioTechnologii.
Zespół prof. Suna odtworzył mikrośrodowisko nerek za pomocą mikroprzepływowej pompy nerkowej (MFKP). Urządzenie ma dwa mikrokanały oddzielone komórkami nabłonka nerki - w miarę jak komórki przepuszczają płyn między kanałami, urządzenie rejestruje w czasie rzeczywistym ciśnienie płynu wytwarzane przez komórki.
Naukowcy zauważyli, że komórki nabłonka nerek zachowują się jak mechaniczne pompy do płynów i aktywnie generują gradient ciśnienia płynu. Zachowanie pompowania płynu charakteryzuje krzywa wydajności pompy, która jest bardzo podobna do pompy wodnej w domu.
Powszechnie uważa się, że nerki zachowują się jak zwykły filtr, który potrzebuje zewnętrznego ciśnienia, aby przemieścić płyn. Prof. Sun wykazał jednak, że komórki mogą same wytwarzać potrzebne ciśnienie - jest to spostrzeżenie, które ma istotne znaczenie dla zrozumienia fizjologicznej funkcji nerek.
- Wszyscy słyszą, że nerki filtrują krew, ale koncepcyjnie jest to błędne. Pokazaliśmy, że komórki nerek są pompami, a nie filtrami, i generują siły - wyjaśnił prof. Sun.
Współpracując z Baltimore PKD Research and Clinical Core Center na Uniwersytecie Maryland, zespół prof. Suna wykorzystał urządzenie do zbadania mechanicznych zachowań komórek nabłonka nerek pochodzących od pacjentów z autosomalnie dominującą wielotorbielowatą chorobą nerek (ADPKD). ADPKD jest często dziedziczoną i agresywną chorobą, w której nerki rozwijają torbiele wypełnione płynem, co prowadzi do powiększenia nerek. Urządzenie opracowane przez zespół wykazało, że komórki ADPKD pompują płyn w kierunku przeciwnym niż zdrowe komórki nabłonkowe. Ten zmieniony sposób pompowania zmienia profil ciśnienia w kanalikach nerkowych, co prowadzi do zmiany ich kształtu i morfologii.
Naukowcy przetestowali również lek Tolvaptan na komórkach ADPKD. Wykazano, że komórki ADPKD zareagowały na preparat zmniejszeniem strumienia pompowanego płynu i gradientu ciśnienia, co oznacza, że torbiel powinna rozwijać się wolniej. Odkrycie to dowodzi, że urządzenie opracowane przez zespół może być potencjalnie wykorzystywane jako narzędzie do badań przesiewowych nad nowymi metodami leczenia ADPKD i innych chorób nerek.
Kolejne kroki zespołu obejmują modyfikację urządzenia w celu zwiększenia skali pomiarów i wykorzystania go w innych procesach transportu nabłonkowego, np. w innych narządach. Zespół chce pokazać, że siły mechaniczne są ważne w systemach biologicznych i narządach, co może ostatecznie poprawić nasze podejście do badań przesiewowych leków i modelowania chorób.
